< Previous28 자연,터널그리고 지하공간기술기사 1복층터널 분기부에 적용 가능한 보강기술 현장적용 연구지반조건이 양호한 암반 상태라면 필라 형성부의 자립성이 충분히 확보되므로 안정성이 확보되나 암반조건이 불량한 지반의 경우는 사전에 충분한 보강이 수행되지 않으면 암괴 탈락 및 필라부 미형성 등이 발생된다.이에 본 연구에서는 상기에 제시된 바와 같이 분기 형성 터널 필라부에 대한 사전보강을 함으로써 터널 분기부의 안정성을 충분히 확보하도록 하였다. 본 연구를 통하여 향후 시공이 증가할 복층터널 분야에 대해 전문 시공 기술을 확보함으로써 복층터널 시공 발전에 기여하고자 한다. 2. 연구 개요본 연구는 복층터널 취약부에 적용 가능한 기술에 대한 연구로 선행 시공되는 터널 본선부와 후행 시공되는 분기부 사이의 필라 형성부에 대해 직선형 보강재를 시공하고 이 보강재의 긴장력으로 필라부의 안정성을 확보하는 방법에 대한 연구이다.기존 터널의 굴착보강 방법 중 복층터널 분기부에 적용 가능한 방법은 근접터널 보강방법이 있으며 이를 발전시켜 복층터널에 적용 가능한 보강방안을 제시하고자 한다. 지층 불량 구간(연암 IV Type 이하)은 본선터널 굴진 후 분기터널 굴착시 필라부의 응력집중 및 변형으로 인한 분기부 형성이 불가하므로 사전에 충분한 보강이 될 수 있는 방안을 강구하여야 한다. 그런데 본선터널 굴진시 적용할 수 있는 보강방안이 Rock Bolt 형태의 보강봉을 원지반에 삽입하는 방식이다. 이런 형태의 보강만으로는 지층 불량구간의 추가 굴진시 안정성 확보에 문제가 있을 수 있다. 따라서 보강방법의 변경을 통해 현실적으로 0.1~0.5D의 초 근접부 보강이 가능한 시공방법에 대해 연구를 수행하였다.2.1 강관+강연선 보강공법(기존보강공법)근접병설터널의 필라부에 압력 그라우팅 및 강관+강연선을 터널 굴착 진행과정에 맞춰 시공하여 필라부 강도증진을 통해 터널 안정성을 확보하는 공법이다. 선행터널 <그림 2> 분기 형성부 모형<그림 3> 기존 시공방법(강관 + 강연선 시공방법)<그림 4> Loop 강연선 시공방법Vol. 20, No. 3 29굴착시 후행터널 인접 필라 형성부에 대해 사전 보강을 하고 후행터널 굴진후 체결/Prestress를 가하는 방법으로 보강된다.2.2 Loop형 강연선 보강공법 Loop형 강연선 보강공법은 본선터널과 램프터널 사이 필라부에 Loop형 강연선을 보강하고 구속력을 가하여 필라의 안정성을 확보하는 공법이다. 시공방법은 본선터널 굴착 → 지반보강재(Loop형 강연선) 삽입구멍 천공 → 강관삽입 및 그라우팅 → 램프터널 굴착 → Loop형 강연선 설치 및 긴장 순으로 시공이 진행된다. 3. 수치해석을 통한 거동예측현장 시험시공을 적용하기에 앞서 수치해석을 통해 개선 보강안의 효용성에 대한 검증을 수행하였다. Loop형 강연선을 이용한 다축 방향 보강특성과 본선터널과 분기터널간 필라폭 변화를 고려하기 위해 3차원 해석을 수행하였고, 해석범위는 굴착영향 영역을 고려하여 설정하였다.표준 지보 패턴은 국내에서 일반적으로 적용하는 한국도로공사 표준 지보패턴을 적용하였고, 암반 조건은 4등급을 기준으로 해석하였다. 해석 프로그램은 PLAXIS 3D를 사용하여 Mohr-Coulomb 파괴기준에 의한 탄소성 해석을 수행하였다. 필라부에 작용하는 주응력을 이용하여 암반파괴 기준에 근거한 강도/응력비를 산정하여 필라폭에 따른 4등급 암반 조건에서의 안정성을 검토하였다.해석결과 필라폭 2.0m 내외부터 수평변위가 일정하게 수렴하는 경향을 보이며, 필라폭 2.27m 이상일 경우에는 강도/응력비가 크게 증가하는 것으로 나타났다. 최소 필<그림 5> 해석에 적용된 복층터널 분기부 Model 평면도<그림 6> 해석에 적용된 복층터널 분기부 Model 유한요소망<그림 7> 필라부 수평변위 결과<그림 8> 필라부 변형해석결과30 자연,터널그리고 지하공간기술기사 1복층터널 분기부에 적용 가능한 보강기술 현장적용 연구라폭은 2.0m (0.15D) 이상은 확보되어야 보강효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.4. 현장 적용을 통한 시공성 검증실제 복층터널 시공현장에 대한 현장적용 전에 유사 분기부 시공현장인 근접 병설터널 시공현장에서 필라부 보강에 대한 시험시공을 진행하였다.4.1 시험체에 대한 제작시험적용을 위하여 계측기가 매설된 형태로 부재를 제작하였고 매설 계측기의 거동에 대해 검증을 수행하였다.4.2. 실 현장 적용실제 현장 적용을 통하여 Loop형 보강에 대한 현장시험을 수행하고 보강효과에 대한 검증을 수행하였다. <그림 9> 필라폭에 따른 수평변위 해석결과<그림 10> 필라폭에 따른 강드/응력비<그림 11> 부재내 작용력 계측을 위한 응력계 설치<그림 12> 현장 시험시공 (천공작업)<그림 13> 현장 시험시공 (공내 그라우팅)Vol. 20, No. 3 314.3. 실 현장 계측결과선행 터널 굴진후 후행터널 진행에 따른 지반 거동을 계측하였으며 계측결과는 다음과 같다.5. 맺음말본 연구에서는 복층터널 분기부 지층불량구간(IV Type 이하 암반조건)에 대한 보강방법 제안하고 효과 검증을 위<그림 14> 지중변위계 측정값<그림 15> 필라부 강선 응력계 측정값<그림 16> 필라부 Shotcrete 응력계 측정값32 자연,터널그리고 지하공간기술기사 1복층터널 분기부에 적용 가능한 보강기술 현장적용 연구해 시험시공을 수행하여 0.1∼0.5D 초근접 필라부 보강이 가능한 시공방법을 제시하였다. 1) 분기부 보강방안으로 기존 보강공법(강관+강연선) 이외에 Loop형 강연선의 구속 보강방안을 제안하여 효과를 검증하였다.2) 분기부 시공 및 보강에 대한 수치해석을 수행하여 최소 필라폭이 2.0m (0.15D) 이상(IV Type 암반조건)은 확보되어야 필라 보강효과가 있음을 확인하였다.3) 실제 현장에 대해 분기부 보강방안을 강구하고 현장 시험 시공 및 계측을 통해 터널 안정성에 대한 비교 분석을 수행하였다. 4) 현장 시험 시공을 통하여 시공성을 검증하였으며 계측 수행을 통해 개선 시공공법으로 시공시 보강효과가 있는 것으로 확인되었다. 감사의 글 본 연구는 국토교통부(국토교통과학기술진흥원) 2014 건설기술 연구사업의 ‘대심도 복층터널 설계 및 시공 기술개발(14SCIP-B088624-01)’ 연구단을 통해 수행되었습니다. 연구지원에 감사드립니다.Vol. 20, No. 3 33기술기사 21. 개 요철도터널인 ○○터널 저토피 구간 중 카린시안 공법(Carinthian Cut-and-cover Method, 반개착 공법)이 적용 계획된 제2구간은 연장이 가장 길고(L=100.00m) 농경지를 통과하는 것으로 계획됨에 따라 콘크리트 아치구조물 시공을 위한 레미콘 등 공사용 차량 진출입 시 협소한 마을 진입로 및 농로를 이용해야 하므로 공사차량 교행이 어려움에 따라 극심한 민원이 제기되었다. 또한 ① 상부 토피 굴착, ② 콘크리트 구조물(크라운 아치) 시공 및 되메움, ③ NATM터널 굴착 시공의 순서로 이루어지는 복합공정으로 과업 저토피 제2구간과 같이 연장이 긴 구간에서는 시공성이 불량하고 공사기간이 과대 소요되는 문제점이 있었다. 따라서 ○○터널 저토피 제2구간에 대해 충분한 터널 안정성이 확보되고, 시공성 및 경제성이 우수하며, 공사기간 및 공사 중 민원을 최소화 할 수 있는 대체 굴착공법이 필요하였으며 본 고에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 개발된 급속 카린시안 공법(Rapid Carinthian Cut-and-cover Tunnelling Method, 급속 반개착 공법)에 대해 소개하고자 한다.2. 카린시안 공법 개요국내에서는 주로 아칭효과가 발휘되지 못하는 저토피 구간이나 갱구부 구간에 대한 보조공법 등의 보강공법 연구와 환경훼손을 줄일 수 있는 방법으로 가시설을 이용한 방법 및 개착공기를 단축시킬 수 있는 프리캐스트 구조물을 이용한 개착식 터널에 대한 연구가 주로 수행되어왔다. 또한 최근 들어 NATM 또는 개착식 터널의 적용이 곤란한 저토피 및 갱구부 구간에 대한 카린시안(반개착) 터널굴착 공법 적용에 대한 관심이 증가되고 있다. 카린시안 터널굴착 공법은 터널 굴착부 상부 지반조건이 불량한 고성능 지보재를 활용한급속 카린시안 공법 적용 사례신영완(주)하경엔지니어링터널지반부 사장문경선(주)하경엔지니어링터널지반부 상무34 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2고성능 지보재를 활용한 급속 카린시안 공법 적용 사례저토피 및 성토지반 등의 NATM 굴착 시 지반의 아칭효과를 기대하기 어려운 경우와 같은 지반조건에서의 상부지반 일부를 굴착하여 현장에 적합한 형상(아치(Arch)형, 슬래브(Slab)형)의 콘크리트 구조물로 원지반과 결속 시공한 다음 깎기부를 되메움하고 터널내부를 굴착하는 방법으로 터널 굴착 시 아칭효과를 발휘하여 상부토압 감소 및 하중 분산이 가능하고 개착터널에 비해 원지반 훼손면적 축소와 시공성이 우수한 공법이다.기존 카린시안 터널굴착 공법은 Door frame slab를 이용한 공법(그림 1)으로 독일에서 처음 제안되어 유럽 및 일본 등에서 적용된 공법으로 시공순서는 그림 2와 같다.3. 지반 현황○○터널 저토피 제2구간 인근에 대하여 그림 3과 같이 당초 설계 시 2공의 시추조사(NTB-81, NTB-82)가 수행되었으며, 시추공 자료를 분석하여 지층분포현황을 파악한 결과는 그림 4와 같다.<그림 1> Door frame slab 공법 단면도(http://projects.dr-sauer.com)(a) 상부굴착 및 FrameSlab 시공(b) 상부 되메움(c) 터널 굴착<그림 2> Door frame slab 공법 시공순서도<그림 3> ○○터널 저토피 제2구간 시추조사 현황Vol. 20, No. 3 35시추조사 결과, ○○터널 저토피 제2구간 지층분포는 지표로부터 매립층 및 전답토, 풍화암, 연암(파쇄대) 및 경암(파쇄대)으로 구성되어 있는 것으로 확인되었으며, 지표하 1.5~2.4m 이후부터 기반암(연․경암)이 분포하고 있는 것으로 조사되었다. 기반암 암종은 약간~보통 풍화상태의 셰일로 확인되었다.시추조사에 따른 과업구간 지하수위는 GL(-)0.5~12.0m로 확인되었다. 시추조사에 따라 확인된 시추주상도 및 암반구간 RQD-TCR 분포도는 그림 5와 같다.4. 당초 카린시안 공법 설계 현황4.1 터널설계 현황본 과업구간은 ○○터널 저토피 제2구간의 연장 100.0m 구간이며, 당초설계 시 계획된 현황은 그림 6 및 그림 7과 같다.카린시안구간(직선, 콘크리트도상) 표준지보패턴 현황은 표 1과 같다.○○터널은 토피고 1.0D(D=11.2m)이하의 저토피부이며, 터널 천장부 일부가 노출되어 NATM터널 적용이 불<그림 4> ○○터널 저토피 제2구간 지층 현황<그림 5> NTB-82공 RQD-TCR 분포도<그림 6> 당초설계 저토피 제2구간 평면현황36 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2고성능 지보재를 활용한 급속 카린시안 공법 적용 사례가하여 터널 통과시 별도의 대책 수립이 필요한 상황이다. 본 구간은 비교적 경사가 완만한 농경지 구간으로 지상에 농로, 수로 구조물 및 묘지 2기가 분포하며, 터널노선 좌측으로 약 200m 이격하여 기도원이 위치하고 있다. 지층구성은 지표로부터 토사 및 풍화암이 1.5m~2.4m까지 분포하고 하부에 연암층 이상이 분포한다. 본 구간은 터널 천장부 일부가 노출되어 NATM + 갱내보강공법 적용이 곤란하여 개착부 환경훼손 및 점유기간이 짧고 외부진입로 개설이 완전개착 공법 대비 유리한 카린시안 공법 적용이 계획되었다. ○○터널 저토피 제2구간에 적용 계획된 카린시안 공법의 시공순서는 그림 8과 같다.<그림 7> 당초설계 저토피 제2구간 종단현황<표 1> 카린시안 구간 표준지보패턴 현황구분CD-1CD-2지보패턴개요도지반등급/지반조건연암이상연암파쇄대, 풍화암, 국부적인 파쇄대 발달구간굴착공법상반: 기계굴착/ 하반: 발파상반: 기계굴착/ 하반: 발파굴진장(상반/하반)1.0m / 1.0m1.0m / 1.0m숏크리트 두께200mm(강섬유)200mm(강섬유)록볼트길이4.0m4.0m간격(종/횡)1.0m / 1.2m1.0m / 1.2m강지보간격1.0m1.0m규격H-100×100×6×8H-100×100×6×8콘크리트라이닝400mm(철근보강)400mm(철근보강)우각부보강록볼트소구경강관그라우팅Vol. 20, No. 3 371단계: 원지반 상태2단계: 아치 상부 절토3단계: 터널 상반면 추가굴착4단계: 암버력 및 토사 쌓기, 지지용 록볼트 설치5단계: 상부 린콘크리트 및 아치 철근콘크리트 타설6단계: 되메우기 및 복구7단계: 상반 파쇄암 걷어내기 및 부분 기계굴착8단계: 상반 1차 지보재 설치9단계: 하반 굴착10단계: 하반 1차 지보재 설치<그림 8> 기존 카린시안 공법의 시공단계Next >